傳感器在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

胡建平 ，趙新宇 ，馮汝廣 ，范國華 ，趙翠敏

（聊城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山東 聊城 252000）

我國是設(shè)施農(nóng)業(yè)大國，2023年中央一號(hào)文件提出“發(fā)展現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)”，“十四五”規(guī)劃中也提出要積極發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)[1]?，F(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)通過現(xiàn)代化技術(shù)和智能化裝備實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化、數(shù)字化和智能化。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，水土資源的約束，多元化和多層次消費(fèi)需求的升級(jí)，設(shè)施農(nóng)業(yè)將變得更智能。智能傳感器作為設(shè)施農(nóng)業(yè)中的核心要素，自動(dòng)監(jiān)測設(shè)施內(nèi)的動(dòng)植物生產(chǎn)所需的溫、光、水、土、氣、肥等環(huán)境條件，有助于水土資源的最大化利用，還能增強(qiáng)綜合生產(chǎn)能力。

1 我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

設(shè)施農(nóng)業(yè)是綜合應(yīng)用工程裝備技術(shù)、生物技術(shù)和環(huán)境技術(shù)，按照動(dòng)植物生長發(fā)育所要求的最佳環(huán)境，進(jìn)行動(dòng)植物生產(chǎn)的一種高效優(yōu)質(zhì)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[2]。設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境可根據(jù)動(dòng)植物的生長規(guī)律進(jìn)行調(diào)控，突破時(shí)間和空間的制約，實(shí)現(xiàn)蔬菜瓜果連續(xù)周年生產(chǎn)，保障“菜籃子”產(chǎn)品穩(wěn)產(chǎn)保供。隨著工程技術(shù)手段的進(jìn)步，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)取得了顯著成果，相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2021年年底，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)面積已達(dá)286萬hm2，總產(chǎn)值超過1.4萬億元，已經(jīng)形成了日光溫室81萬hm2、塑料拱棚203萬hm2、大型連棟溫室1.8萬hm2和植物工廠250座的四種結(jié)構(gòu)形態(tài)，而且通過多年的技術(shù)革新，在節(jié)能設(shè)施結(jié)構(gòu)、環(huán)境調(diào)控以及植物工廠等方面取得了重要進(jìn)展，如實(shí)現(xiàn)了植物工廠成套裝備的完全國產(chǎn)化[3]。雖然我國設(shè)施農(nóng)業(yè)取得了顯著的成績，但是相較于發(fā)達(dá)國家，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)在土地利用率、單體規(guī)模、產(chǎn)量、抗逆能力、機(jī)械化水平等方面還存在不足，整體智能化管控技術(shù)有待提升。

2 農(nóng)業(yè)傳感器

2.1 農(nóng)業(yè)傳感器概念

傳感器是一種檢測裝置，它可以檢測到指定的測量值，并根據(jù)一定的規(guī)則將其轉(zhuǎn)換為可用的信號(hào)。傳感器通常由三部分組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路。敏感元件直接檢測測量值，并發(fā)出與測量值有一定關(guān)系的物理量信號(hào)；轉(zhuǎn)換元件將敏感元件發(fā)出的物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)放大和調(diào)制轉(zhuǎn)換元件發(fā)出的電信號(hào)[4]。傳感器在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，使作物和農(nóng)副產(chǎn)品擁有觸覺、味覺和嗅覺等感官，并將它們最原始的信息傳遞給人類[5]。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，利用各種傳感器建立完整的數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺(tái)，記錄和分析農(nóng)業(yè)種養(yǎng)過程的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)科學(xué)的監(jiān)管。

2.2 農(nóng)業(yè)傳感器分類

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有差異性和復(fù)雜性，根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用的場景，傳感器大致可分為三類：環(huán)境信息傳感器、生命信息傳感器和農(nóng)機(jī)參數(shù)傳感器[6]。

1）環(huán)境信息傳感器主要是對動(dòng)植物生存所需的環(huán)境要素進(jìn)行監(jiān)測，主要包括氣象類、土壤類、水體類、畜禽類[7]。氣象類傳感器主要用來監(jiān)測光照、氧氣濃度、氨氣濃度、二氧化碳濃度、溫濕度等環(huán)境信息，一方面對動(dòng)植物生長環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，保持動(dòng)植物生長最適宜的微氣候環(huán)境，另一方面對二氧化碳、甲烷、氨氣等污染氣體的監(jiān)測可以減輕環(huán)境污染。土壤類傳感器用來測量土壤電導(dǎo)率、酸堿度、溫濕度、農(nóng)藥含量、微量元素養(yǎng)分等。水體類傳感器用來監(jiān)測水體環(huán)境，如pH值、電導(dǎo)率、溶解氧、氨氮、亞硝酸鹽、總硬度等參數(shù)，有助于控制生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，降低生產(chǎn)成本，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的效率和穩(wěn)定性。畜禽類傳感器主要監(jiān)測和調(diào)控養(yǎng)殖環(huán)境，實(shí)時(shí)采集和分析養(yǎng)殖舍內(nèi)的參數(shù)值，如光照度、溫度、濕度以及二氧化碳、氨氣、二氧化硫、硫化氫濃度等，提高畜禽舍管理效率，提升畜禽質(zhì)量。

2）生命信息傳感器是對動(dòng)植物生長過程中的生命數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)了解動(dòng)植物的生長狀態(tài)[8]。對植物來說，主要是采集植物葉片厚度、葉綠素含量、含水率、植物徑流、植物莖稈直徑、激素、葡萄糖小分子等信息，用于指導(dǎo)精準(zhǔn)灌溉、施肥以及病蟲害的防治，有助于節(jié)約水分和養(yǎng)料；對動(dòng)物來說，主要是監(jiān)測動(dòng)物的生理指標(biāo)和行為指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)禽畜養(yǎng)殖的智能生產(chǎn)與科學(xué)管理。

3）農(nóng)機(jī)參數(shù)傳感器是智能化農(nóng)機(jī)裝備的重要組成部分，在眾多農(nóng)業(yè)智能裝備中起到了信息采集、控制的核心功能[9]，能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)業(yè)機(jī)械工作狀態(tài)的監(jiān)控，提高生產(chǎn)植保效率，如速度和加速度傳感器、輸出軸扭矩檢測中的扭矩傳感器、油耗檢測中的液位傳感器以及其他性能檢測中的角度傳感器、計(jì)數(shù)傳感器、位移傳感器等[10]。

3 傳感器在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

3.1 設(shè)施園藝中傳感器的應(yīng)用

中國設(shè)施園藝發(fā)展迅猛，截至2022年中國設(shè)施園藝總面積280多萬hm2，占世界設(shè)施總面積的80%以上，其中設(shè)施蔬菜占比81%，中國設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值超過1.4萬億元，解決了中國蔬菜周年均衡供應(yīng)問題，促進(jìn)了農(nóng)民增收，實(shí)現(xiàn)了資源的高效利用[11]。設(shè)施園藝的未來是智能化，智能化的技術(shù)與裝備是提高設(shè)施園藝生產(chǎn)技術(shù)水平和能力的重要手段，而傳感器是推動(dòng)我國設(shè)施農(nóng)業(yè)智慧化發(fā)展的第一步[12]。通過將傳感器等設(shè)備部署在溫室大棚內(nèi)，對蔬菜生長的全過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，有效掌握了蔬菜生長每個(gè)階段的數(shù)據(jù)信息，并通過智能控制方法，確保蔬菜處于最佳的生長環(huán)境中[13]。以食用菌種植為例，原來大棚種植金針菇一年只能種兩季，現(xiàn)在得益于智慧化菇房建設(shè)，遍布廠區(qū)的傳感器與車間設(shè)備、生產(chǎn)線實(shí)時(shí)連接，以毫秒級(jí)的傳輸速度將數(shù)據(jù)歸集到大數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)監(jiān)測、智能分析，可以實(shí)現(xiàn)全年種植，優(yōu)品率大大提升。浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)[14]針對植物莖稈特殊的生理特性，利用芯片級(jí)的微納加工工藝，制備了一種可穿戴式莖流傳感器，在自然生長狀態(tài)下，不斷檢測植物體內(nèi)水分傳遞和分配的動(dòng)態(tài)過程。國外有研究者使用多光譜成像傳感器檢測葉綠素濃度和含量，通過使用超聲波傳感器估算植被高度來提升葉綠素含量檢測的精確度[15]。北卡羅萊納州立大學(xué)總結(jié)可穿戴植物傳感器的最新進(jìn)展，跟蹤和預(yù)測植物狀況，在健康壓力環(huán)境下及時(shí)優(yōu)化和調(diào)整植物生長參數(shù)。

植物工廠是典型的設(shè)施農(nóng)業(yè)的高科技成果，是一種高新農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，通過設(shè)施內(nèi)高精度的環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)。植物工廠的環(huán)境控制系統(tǒng)由傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成，通過傳感器及搭載人工智能攝像頭的視覺分析系統(tǒng)，不斷優(yōu)化調(diào)節(jié)溫光水氣肥等參數(shù)，采集植物生長表型參數(shù)變化并進(jìn)行學(xué)習(xí)計(jì)算，得出作物生長最優(yōu)化的數(shù)據(jù)模型，實(shí)行“植物對話”，用最少的資源實(shí)現(xiàn)最大化的產(chǎn)量、最優(yōu)化的質(zhì)量。以淄博市桓臺(tái)縣的“植物工廠”為例[16]，整個(gè)溫室配備了423個(gè)傳感器、1 165 個(gè)控制器，能夠隨時(shí)獲取并智能調(diào)節(jié)工廠內(nèi)部的光照、溫度、空氣、水肥等相關(guān)的數(shù)據(jù)，讓植物每時(shí)每刻都能在最佳環(huán)境下生長?！爸参锕S”不僅控制植物生長環(huán)境，還能通過傳感器等設(shè)備獲得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個(gè)階段的數(shù)據(jù)，建立植物生長模型，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)，將經(jīng)驗(yàn)論、非標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)種植變?yōu)橛星逦Ｐ?、因素可控的方式?/p>

3.2 設(shè)施養(yǎng)殖中傳感器的應(yīng)用

養(yǎng)殖環(huán)境是影響家禽健康和生產(chǎn)力的重要因素[17]。傳感器在畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域也發(fā)揮著重要的作用，傳感器不僅能采集養(yǎng)殖環(huán)境的溫度、濕度、空氣質(zhì)量等信息，還可以采集動(dòng)物身上的體溫、脈搏以及采食量等相關(guān)信息，并將以上數(shù)據(jù)信息傳遞到控制處理器中，處理系統(tǒng)會(huì)依據(jù)之前設(shè)定好的參數(shù)來發(fā)出指令，從而對養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行通風(fēng)、消毒，提高空氣質(zhì)量，或是增加光照或適當(dāng)降溫，從而滿足動(dòng)物生長對環(huán)境提出的各種需求，最終實(shí)現(xiàn)環(huán)境調(diào)控，提高生產(chǎn)效率[18]。例如在羊養(yǎng)殖中，傳感器不僅對養(yǎng)殖場的光照度、水溫、空氣溫濕度、pH值、二氧化碳濃度、硫化氫濃度、氨氣濃度、溶氧量等各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集[19]，還能利用傳感器收集羊群生活環(huán)境、生產(chǎn)性能等參數(shù)，配合智能系統(tǒng)自動(dòng)生成生長曲線，從而更加精準(zhǔn)計(jì)算出羊只個(gè)體的飼料報(bào)酬率[20]。再如，在水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)領(lǐng)域，傳感器配合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖水體實(shí)時(shí)監(jiān)控，飼料、漁藥自動(dòng)精準(zhǔn)投喂，水產(chǎn)病害監(jiān)測預(yù)警[21]。

3.3 設(shè)施裝備中傳感器的應(yīng)用

現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開設(shè)施裝備的支撐，而在設(shè)施裝備智能化的過程中，傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。在荷蘭等發(fā)達(dá)國家，溫室成套裝備中室內(nèi)作業(yè)機(jī)械裝備和環(huán)境控制設(shè)施設(shè)備正在朝著智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展，國內(nèi)研究者利用傳感器技術(shù)、遙感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)研制出的自動(dòng)控制和環(huán)境檢測系統(tǒng)，在自動(dòng)檢測溫室內(nèi)的土壤、氣候等參數(shù)的同時(shí)，還可以自動(dòng)控制溫室開窗、降溫、升溫、加濕、補(bǔ)氣、補(bǔ)光、灌溉、施肥等，以便設(shè)備達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)[22]。

智能機(jī)器人在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。它是一種由一個(gè)或多個(gè)程序軟件控制，配備有視覺、力覺、避障、觸覺等多種傳感器以適應(yīng)各種作業(yè)的設(shè)備，通過融合多個(gè)傳感器的感知，獲得更加精確的信息，完成信息交融[23]。如育苗機(jī)器人依靠視覺傳感器鎖定苗木的實(shí)際位置；除草機(jī)器人利用傳感器獲取雜草所在位置的信號(hào)數(shù)據(jù)；采摘機(jī)器人可以利用傳感器以及紅外遙控器獲取果實(shí)信號(hào)[24]；畜牧機(jī)器人可以完成自動(dòng)擠奶、消毒、清糞、飼喂、移動(dòng)檢測等作業(yè)，例如英國開發(fā)的擠奶機(jī)器人，通過雙自由度x-y位移傳感器識(shí)別奶牛的位置，完成擠奶的同時(shí)還能對牛奶進(jìn)行質(zhì)量檢測并且檢測奶牛是否患有乳房炎[25]；博田公司研發(fā)的一種設(shè)施農(nóng)業(yè)智能運(yùn)輸車，采用視覺相機(jī)、超聲波傳感器等多傳感器融合，能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航和避障以及搬運(yùn)功能[26]。

4 我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展中傳感器的應(yīng)用趨勢

現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，也給農(nóng)業(yè)傳感器的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。黨的二十大報(bào)告指出，“發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，構(gòu)建多元化食物供給體系”。黨中央的決策部署，給設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展指明了方向，戈壁設(shè)施農(nóng)業(yè)、垂直植物工廠正在被探索和推廣，這些探索將不斷推動(dòng)傳感器技術(shù)的革新。

4.1 高穩(wěn)定性

我國的農(nóng)業(yè)傳感器通常存在故障率高、制造粗糙、材料差、使用壽命短等問題。農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)又經(jīng)常是高溫高濕的環(huán)境，安裝在大棚內(nèi)的傳感器如果封裝技術(shù)不過關(guān)，傳感器的核心元件和電路板很容易受潮生銹，從而導(dǎo)致故障不斷出現(xiàn)，影響到精度和使用壽命。設(shè)施農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)周年化生產(chǎn)需要檢測精度高、運(yùn)行效率高的傳感器來降低維護(hù)成本。隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的逐漸成熟和傳感器行業(yè)的飛速發(fā)展，傳感器技術(shù)可向低功耗、低成本、高穩(wěn)定性方向發(fā)展。

4.2 微型化

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的傳感器對便攜性要求更高，這就要求傳感器體積越小越好，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展讓傳感器的微型化得以實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)工藝制造的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。未來，準(zhǔn)確、精密、便攜式傳感器和生物傳感器的研究和開發(fā)將是設(shè)施農(nóng)業(yè)傳感器創(chuàng)新和發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域。

4.3 高智能化

目前，傳感器在設(shè)施農(nóng)業(yè)的環(huán)境控制方面取得了一定的成效，但多數(shù)傳感器是對溫濕度、光照度、氣體、營養(yǎng)元素等單個(gè)特征的檢測，傳感器沒有對植物生長的綜合環(huán)境形成動(dòng)態(tài)的檢測系統(tǒng)，聯(lián)動(dòng)性較差，無法提供真正意義上的傳感功能。未來傳感器能對諸如水分子、病原體、微生物在跨越土壤、動(dòng)植物、環(huán)境時(shí)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行監(jiān)控，具備快速檢測、連續(xù)監(jiān)測、實(shí)時(shí)反饋、智能處理的能力。

4.4 多功能化

設(shè)施生產(chǎn)環(huán)境控制要求嚴(yán)格，在育苗、定植、移栽、收獲加工、畜禽養(yǎng)殖等方面存在較大差異，不同動(dòng)植物之間的系統(tǒng)傳感器缺乏通用性。隨著材料學(xué)、微電子、納米技術(shù)等多學(xué)科的聯(lián)合攻關(guān)，新一代傳感器將實(shí)現(xiàn)其多功能性，從而提高設(shè)備的效率和性能，降低能耗和維護(hù)成本。

5 總結(jié)

綜上所述，新工藝、新材料、新技術(shù)的交叉融合，將促使傳感器技術(shù)產(chǎn)生新的變革，解決制約新一代傳感器從實(shí)驗(yàn)室走入產(chǎn)業(yè)的最關(guān)鍵問題。本研究在傳感器的定義及分類的基礎(chǔ)上，分別從設(shè)施園藝、養(yǎng)殖、裝備等不同方面對農(nóng)業(yè)傳感器的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)中，傳感器在材料、壽命、成本、穩(wěn)定性、便攜性、智能化等方面還存在一定的問題，并提出了未來農(nóng)業(yè)傳感器趨于高穩(wěn)定性、微型化、高智能化、多功能化發(fā)展。相信隨著高新技術(shù)的集成，傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究將持續(xù)深入，必將推動(dòng)設(shè)施農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)農(nóng)業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。